Vysoké učení technické v Brně Fakulta stavební Ústav vodních staveb

Transkript

1

2 Vysoké učení technické v Brně Fakulta stavební Ústav vodních staveb Ing. Aleš Dráb, Ph.D. RIZIKOVÁ ANALÝZA ZÁPLAVOVÝCH ÚZEMÍ S PODPOROU GIS FLOOD RISK ANALYSIS SUPPORTED BY GIS Teze habilitační práce obor Vodní hospodářství a vodní stavby Brno 2010

3 Klíčová slova: riziková analýza, GIS, povodeň, riziko, nebezpečí, ohrožení, škoda, poškození, zranitelnost Key Words: risk analysis, GIS, flood, risk, hazard, danger, loss, damage, vulnerability Místo uložení: Originál habilitační práce je uložen v archivu Oddělení pro vědu a výzkum Fakulty stavební, Vysokého učení technického v Brně, Veveří 95, Brno. V tezích je uvedena podstatná část práce, kde je akcentován její hlavní přínos. Aleš Dráb, 2010 ISBN ISSN X

4 OBSAH OBSAH... 3 PŘEDSTAVENÍ AUTORA ÚVOD Cíle a obsah habilitační práce Současný stav poznání řešené problematiky METODY SNIŽOVÁNÍ POVODŇOVÉHO RIZIKA Povodňové riziko a jeho definice Řízení rizika (risk management) v záplavových územích Postup rizikové analýzy záplavových území Nejistoty v rizikové analýze záplavových území Úloha GIS v rizikové analýze záplavových území POVODŇOVÉ NEBEZPEČÍ A JEHO KVANTIFIKACE D numerické modelování proudění vody s podporou GIS D numerické modelování proudění vody s podporou GIS ZRANITELNOST ZÁPLAVOVÉHO ÚZEMÍ A JEJÍ STANOVENÍ POVODŇOVÉ RIZIKO A JEHO KVANTIFIKACE Metoda matice rizika Metoda založená na vyjádření potenciálních škod PŘÍPADOVÁ STUDIE - VYUŽITÍ METOD RA V RÁMCI GENERELU ODVODNĚNÍ MĚSTA BRNA Předběžná analýza zájmového území Plošná riziková analýza zasaženého území Hodnocení ekonomické efektivnosti PPO ZÁVĚR Dosažené výsledky autora v oboru RA Podněty pro další výzkum v oboru RA Dosažené výsledky v oblasti výuky a koncepce vzdělávání v oboru RA a GIS SEZNAM POUŽITÝCH PRAMENŮ Literatura Související legislativa a normy SEZNAM AUTOREM ŘEŠENÝCH PROJEKTŮ SOUVISEJÍCÍCH S TÉMATEM PRÁCE Vědecko výzkumné projekty Projekty s praktickou aplikací metod RA Projekty zaměřené na podporu výuky GIS a RA...34 ABSTRACT

5 PŘEDSTAVENÍ AUTORA Ing. Aleš Dráb, Ph.D Narozen: v Jablonci nad Nisou Vzdělání: Gymnázium Táborská, Brno ( ). Ing. 1997, Vysoké učení technické v Brně, FAST, studijní obor Vodní hospodářství a vodní stavby. Ph.D. 2002, Vysoké učení technické v Brně, FAST, disertační práce na téma: Riziková analýza záplavových území, obor: Vodní hospodářství a vodní stavby. Odborné zaměření: Riziková analýza záplavových území, protipovodňová ochrana, geografické informační systémy a jejich aplikace ve vodním hospodářství, hydroinformatika, numerické modelování proudění vody, využití vodní energie. Přehled zaměstnání: Od roku 2000 doposud asistent a odborný asistent na Ústavu vodních staveb, Fakulty stavební, VUT v Brně. Odborné stáže: Společnost Pőyry Environment od roku 2006 celkem 3 stáže a přednáškové cykly zaměřené na zavádění GIS při řešení úloh vodního hospodářství a rizikovou analýzu záplavových území v celkové délce 2 měsíce. Pedagogická činnost: Od roku 1998 do současnosti na Ústavu vodních staveb, FAST, VUT v Brně výuka těchto předmětů inženýrského, bakalářského a magisterského studijního programu: CR56 Protipovodňová ochrana (přednáška + cvičení) CR04 Hydroinformatika (garant) CR54 Geographical Information Systems in Water Management (garant) BR07 Hydrotechnické stavby II (cvičení) BR08 Projekt vodní stavby (cvičení) BR04 Hydraulika (cvičení) 0R0 Hydraulika I (cvičení) 0R2 Hydraulika a hydrologie I (cvičení) 0R3 Hydraulika II (cvičení) 0R5 Přehrady a využití vodní energie (cvičení) 0R8 Přehrady (cvičení) 1R1 Využití vodní energie,vcp (cvičení) 4

6 V doktorském studijním programu výuka následujících předmětů: DS66 Analytické nástroje a datové modely GIS (garant) DS77 Využití GIS ve vodním hospodářství (přednáška + cvičení) Další činnosti související s pedagogickým procesem: Řešitel nebo spoluřešitel 7 projektů zaměřených na podporu výuky protipovodňové ochrany, hydroinformatiky a geografických informačních systémů na FAST, VUT v Brně. Školení odborné veřejnosti v rámci kurzů celoživotního vzdělávání ČKAIT a odborných přednášek. Vyzvané přednášky na vysokých školách. Autor nebo spoluautor učebních textů a kurzů e-learningu. Od roku 2003 vedení celkem 11 obhájených diplomových prací a 4 bakalářských prácí. Školitel studentů doktorského studia. Výzkumné projekty: Odpovědný řešitel nebo spoluřešitel 9 výzkumných projektů zaměřených na rizikovou analýzu záplavových území a numerické modelování proudění vody v záplavových územích. Spolupráce s praxí: Řešitel, popř. spoluřešitel 15 inženýrských projektů zahrnujících praktickou aplikaci metod rizikové analýzy záplavových území. Z uvedených projektů lze několik kvalifikovat jako významná inženýrská díla orientovaná na protipovodňovou ochranu města Brna, hlavního města Prahy a dalších vybraných úseků významných vodních toků v ČR. Spoluautor metodiky pro stanovování povodňových rizik a škod v záplavovém území dle požadavků Směrnice Evropského parlamentu a Rady 2007/60/ES o vyhodnocování a zvládání povodňových rizik. Posudková činnost v oblasti hodnocení investičních záměrů na realizaci protipovodňových opatření v ČR (cca 150 posudků), posudky a studie v oboru využití vodní energie. Odborný konzultant v rámci soudně znaleckých posudků. Programátorská činnost v oblasti tvorby účelových aplikací pro GIS. Publikace: Autor nebo spoluautor těchto publikací: monografie: 3x původní vědecká práce ve vědeckém časopisu s IF > 1: 1x původní vědecká práce ve vědeckém časopisu bez IF: 2x významná inženýrská díla: 3x příspěvek ve sborníku světového nebo evropského kongresu: 4x abstrakt ve sborníku světového nebo evropského kongresu: 2x příspěvek ve sborníku národního nebo mezinárodního kongresu: 15x publikace v odborném časopisu: 2x skripta: 5x 5

7 1 ÚVOD 1.1 CÍLE A OBSAH HABILITAČNÍ PRÁCE Cílem práce je prokázat vědecký a odborný přínos autora v oboru rizikové analýzy záplavových území (RA) v souvislosti s využitím geografických informačních systémů (GIS). Habilitační práce představuje průřez problematikou řešenou autorem v uplynulých cca 8 letech. Jedná se především o shrnutí dílčích výsledků z aplikovaného výzkumu a řešení řady praktických úloh v rámci projektů uvedených v kap. 9.1 a 9.2. Hlavní motivací autora pro výzkum v oboru RA a GIS je zejména navazující pedagogická činnost zahrnující přenos získaných výsledků výzkumu a vývoje do praktického využití ve státní a podnikatelské sféře. Tato činnost je realizována výukou v bakalářských, magisterských, doktorských studijních programech a dále formou celoživotního vzdělávání pracovníků z praxe. Přehled projektů řešených autorem v oblasti podpory výuky podává kap Práce obsahuje popis postupů zpracování jednotlivých etap RA s důrazem na využití nástrojů GIS. Vzhledem ke značné šíři problematiky RA se práce zaměřuje pouze na úzce vybranou oblast zahrnující metody a postupy, které již byly v podmínkách ČR realizovány, se kterými má autor praktické zkušenosti a u kterých je předpoklad zařazení do metodického pokynu na zpracování map povodňového nebezpečí a rizik v rámci směrnice [ES 2007]. Konkrétně se jedná o metodu matice rizika a metodu založenou na vyjádření potenciálních povodňových škod. Uvedené metody prošly v ČR během minulých let dlouhým vývojem, na kterém se autor práce aktivně podílel (viz kap. 9) a který umožnil jejich současné široké uplatnění ve vodohospodářské praxi. Vývoj zahrnoval především teoretické rozbory a úpravy metod, testování na pilotních lokalitách, volbu vstupních podkladů a tvorbu účelových programových nástrojů. Vzhledem ke značnému rozsahu zmiňovaných činností jsou v habilitační práci dokumentovány pouze konečné výsledky. 1.2 SOUČASNÝ STAV POZNÁNÍ ŘEŠENÉ PROBLEMATIKY Zkušenosti z extrémních povodňových událostí v ČR v minulých letech ukázaly potřebu systematického přístupu k řešení otázek spojených s ochranou před povodněmi. Jako velice účinné se jeví postupy založené na teorii řízení rizika (risk management). Zmiňovaný trend potvrzují i četné zahraniční publikace [Klijn et al. 2008], [Schanze et al. 2008], [Hutter 2007], [Alphen and Passchier 2007], [Samuels et al. 2006] a výsledky mezinárodních projektů. Mezi nejvýznamnější projekty z poslední doby patří např. Flood Site nebo CRUE ERA-NET. Účelem metod řízení rizika je zejména identifikace ohrožených oblastí a následný cílený návrh vhodných protipovodňových opatření (PPO). Koncepce PPO by měla být dle využití ohrožených území diferencovaná, podpořená analýzou nákladů a užitků [Schanze et al. 2008], popř. hodnocením dalších hledisek (environmentální, sociální, apod.) [Meyer et al. 2007], [Meyer, Scheuer and Haase 2009], [Kubal et al. 2009]. Význam metod RA a aktuálnost problematiky ochrany před povodněmi potvrzuje v oblasti legislativy projednání Směrnice Evropského parlamentu a Rady 2007/60/ES ze dne 23. října 2007 o vyhodnocování a zvládání povodňových rizik [ES 2007]. Směrnice naznačuje masivní nasazení metod RA v členských zemích Evropské unie, tedy i v České republice. Konkrétně požaduje vytvoření účinných nástrojů, které poskytnou informace o povodňovém riziku a umožní stanovit priority pro přijímání dalších technických, finančních a politických rozhodnutí týkajících se zvládání povodňových rizik. Tento cíl bude zajištěn vytvořením map povodňových nebezpečí a map povodňových rizik znázorňujících možné nepříznivé následky různých povodní. Dále budou zpracovány tzv. plány pro zvládání povodňových rizik s cílem předcházet nepříznivým dopadům povodní se zaměřením na omezení škod na lidském zdraví, životním prostředí, kulturním dědictví a ekonomické činnosti [ES 2007]. 6

8 Nutno konstatovat, že postupy rizikového hodnocení v protipovodňové problematice jsou v České republice rozvíjeny a aplikovány již od katastrofických povodní v roce 1997 a jsou v souladu s evropskými a světovými trendy. Stav v tomto oboru byl mimo jiné dokumentován v monografii [Říha 2005], monotematickém čísle Urbanismu a územního rozvoje 5/2006 (viz [Satrapa, Fošumpaur, Horský 2006], [Drbal aj. 2006a], [Dráb 2006]), příspěvku [Dráb 2007] a výstupech projektu [7] publikovaných v [Drbal 2005]. Je potěšitelné, že do nadcházejícího období vstupuje Česká republika připravena z pohledu dostupných nástrojů RA a ve smyslu jejich praktického ověření v řadě pilotních lokalit i území, která byla hodnocena např. v rámci projektu [7] a dále při posuzování protipovodňových opatření navržených do II. etapy Programu prevence před povodněmi [12] dle [MZe ČR 2006] a [ČVUT 2005]. V současné době se rovněž projevují snahy zapracovat výsledky RA do obnovovaných územních plánů např. v rámci generelů odvodnění urbanizovaných oblastí (viz [21], [22]). Aktuálně se k řešení otázek spojených povodňovou problematikou využívají v ČR převážně podklady vycházející z dokumentace záplavových území (ZÚ), popř. studií odtokových poměrů (SOP). Tyto dokumenty (ZÚ, SOP) podporované stávající legislativou [Zákon č. 254/2001 Sb.], [Vyhláška MŽP 236/2002 Sb.] jsou základními podklady při hodnocení záplavového území a poskytují první informace týkající se možného celkového rozsahu záplavy a hrubého stanovení více a méně nebezpečných zón (tzv. aktivní zóny). V souladu se směrnicí [ES 2007] budou tyto dokumenty využívány i nadále pro účely tzv. předběžného vyhodnocení povodňových rizik, které má za cíl vytipovat ohrožené lokality pro následné zpracování map povodňového nebezpečí a rizik. RA se v současné době stává rutinním nástrojem při hodnocení míry ohrožení území v důsledku povodňového nebezpečí a při posouzení ekonomické rentability navrhovaných opatření na ochranu před povodněmi. Její praktické použití a možnosti jsou dosud vnímány zejména vodohospodářskými odborníky správců povodí, v menší míře pak vodohospodáři činnými ve státní správě. Menší zájem je prozatím zřejmý u urbanistů a pracovníků odborů rozvoje, územního plánování a stavebního řádu, kteří obvykle koordinují činnosti při vyhotovení územních plánů. Aktuálně nejrozsáhlejší aplikace metod rizikové analýzy záplavových území byla na území ČR v souladu se směrnicí [ES 2007] realizována během zpracování Generelu odvodnění města Brna (GOMB), který by se měl stát základním vodohospodářským podkladem v procesu územního plánování na území Brna [22]. V rámci jeho zadání se v části Vodní toky - ochrana před povodněmi podařilo prosadit vyhodnocení povodňového rizika na celém území města Brna, a také formalizované posouzení rentability navrhovaných protipovodňových opatření metodou nákladů a užitků. Podrobněji se o rozsahu zpracovaného území v rámci GOMB zmiňuje kap METODY SNIŽOVÁNÍ POVODŇOVÉHO RIZIKA 2.1 POVODŇOVÉ RIZIKO A JEHO DEFINICE Terminologie v oboru rizikové analýzy záplavových území (RA) dosud není na lokální ani mezinárodní úrovni zcela jednotná. Z toho důvodu jsou v této kapitole uvedeny definice základních pojmů tak, jak jsou chápány v textu práce. Obsah jednotlivých pojmů vychází především ze zkušeností autora se zaváděním základní terminologie v oboru RA záplavových území v ČR [Drbal 2003], [Říha 2005] a z aktuálních trendů v této oblasti na evropské úrovni [Gouldby 2009]. Základním pojmem v oboru RA je povodňové riziko, které lze definovat pomocí koncepčního modelu zdroj cesta receptor (z anglického source pathway receptor) [Gouldby 2009]. Tento model přehledně zachycuje jevy a procesy, které ve svém důsledku vedou k zaplavení území a následně ke vzniku povodňových poškození a škod. Iniciátorem povodňového rizika je tzv. zdroj, který představuje hrozbu nepříznivého jevu (povodně), kterou označujeme pojmem povodňové ohrožení. Míra povodňového ohrožení je závislá na tzv. cestě. Ta v koncepčním 7

9 modelu představuje určitý sled událostí s danou pravděpodobností výskytu, které vedou k zaplavení území (vzniku povodňového nebezpečí) a následné expozici. Expozicí rozumíme vznik povodňových poškození a škod na tzv. receptorech (osoby, majetek, příroda a krajina) v důsledku působení povodňového nebezpečí. Stupeň poškození a škod na receptorech závisí především na: povodňovém nebezpečí (viz kap. 3), jehož míru lze kvantifikovat na základě charakteristik průběhu povodně (průtok, hloubka a rychlost proudění vody, doba zaplavení atd.); zranitelnosti receptorů (viz kap. 4), která vyjadřuje jejich citlivost na působení povodňového nebezpečí. Cesta Receptor Zdroj Obr. 2.1 Schéma koncepčního modelu zdroj-cesta-receptor Povodňové riziko vzniká pouze za předpokladu, že dojde k expozici, tj. ke kontaktu povodňového nebezpečí a receptorů s definovanou zranitelností. Z uvedeného rovněž vyplývá, že riziko lze v rámci tohoto přístupu definovat jako funkci pravděpodobnosti výskytu povodňového nebezpečí a odpovídajících následků (poškození a škod). Konkrétním postupům pro vyjádření povodňového rizika je věnována kap ŘÍZENÍ RIZIKA (RISK MANAGEMENT) V ZÁPLAVOVÝCH ÚZEMÍCH Cílem procesu označovaného jako řízení rizika (risk management) je dosažení přijatelné míry rizika v ZÚ. Tento proces obvykle probíhá ve čtyřech etapách: 1. Formulace řešeného problému. 2. Vyhodnocení rizika (risk assessment). 3. Návrh opatření pro snížení rizika, popř. k jeho udržování na přijatelné míře. 4. Realizace zvolených protipovodňových opatření. První etapa procesu zahrnující formulaci řešeného problému by měla obsahovat především: vytyčení řešeného problému jasnou a jednoznačnou terminologií, prostorové a časové vymezení řešeného problému, určení případných omezení při hodnocení (časová, finanční, legislativní, apod.), evidenci možných zdrojů nejistot, vytvoření koncepčního modelu zahrnujícího zdroje nebezpečí, receptory a možné cesty vzniku expozice. Podstatou navazující druhé etapy procesu je posouzení, zda povodňové riziko stanovené metodami RA nepřekračuje přijatelné meze. Cílem třetí etapy je pak nalézt vhodná protipovodňová opatření (PPO) v případech, kdy povodňové riziko překračuje přijatelné meze. Návrh těchto opatření je součástí tzv. plánů pro 8

10 zvládání povodňových rizik, které jsou definovány směrnicí [ES 2007]. Úkolem navržených PPO je především snížit škody způsobené povodněmi, přičemž hlavní prioritou je maximálně omezit ztráty na životech lidí a zvířat. Zde je třeba zdůraznit fakt, že 100% (tj. absolutní) PPO neexistuje. PPO je možné obecně rozdělit do dvou základních skupin: strukturální (technická), nestrukturální. Strukturální (technická) opatření zahrnují zejména úpravy na vodních tocích a v inundačních územích. Opatření směřují k zajištění dostatečné kapacity koryt toků, stability dna a břehů koryt, zvýšení retenční schopnosti a transformaci objemu povodňové vlny v prostoru a čase nádržemi, poldry apod. Tyto prvky se vyznačují okamžitou odezvou po vybudování, jejich účinek lze poměrně dobře kvantifikovat a jsou obvykle známy i jejich negativní účinky, slabá místa a rizikové faktory. Podskupinou strukturálních opatření jsou tzv. opatření blízká přírodě [MŽP 2008]. Mezi nestrukturální spadají především bezpečnostní opatření a organizování služeb pro havarijní případy, jako jsou kvalifikované hydrologické předpovědi povodňových situací, hlásná a povodňová služba, organizace evakuačních a záchranných prací apod. Do této skupiny rovněž zahrnujeme územní plánování, které hraje důležitou úlohu při preventivním snižování nepříznivých účinků povodní [Dráb 2006], [Dráb, Říha 2008], [Satrapa 2006], [Konvička 2002]. 2.3 POSTUP RIZIKOVÉ ANALÝZY ZÁPLAVOVÝCH ÚZEMÍ Postup RA je možné zobecnit do dvou základních kroků, které jsou podrobně popsány v kap. 3 až 5: 1. Kvalitativní analýza tento krok představuje v souladu se směrnicí [ES 2007] tzv. předběžné vyhodnocení povodňových rizik, které má za cíl vytipovat ohrožené lokality pro následné zpracování map povodňového nebezpečí a rizik. 2. Kvantitativní analýza - v této fázi jsou určeny pravděpodobnosti a následky definovaných povodňových událostí. Riziko je kvantifikováno diskrétními hodnotami nebo jako funkční závislost pravděpodobnosti a rozsahu potenciálních poškození nebo škod (viz kap. 5). Kvantitativní analýza zahrnuje vyčíslení povodňového nebezpečí, stanovení zranitelnosti záplavového území a kvantifikaci rizika. V souladu s [ES 2007] se v rámci rizikové analýzy záplavových území obvykle provádí kvantifikace těchto druhů rizik: riziko vzniku poškození a škod na majetku, individuální a společenské riziko (vyplývající z ohrožení obyvatelstva), environmentální riziko (dopady na přírodu a krajinu v souvislosti se zaplavením potenciálních zdrojů znečištění, kontaminací zdrojů pitné vody apod.), riziko poškození citlivých objektů (nemocnice, hasiči, policie, historické objekty apod.). Další text práce je zaměřen pouze na první jmenovaný druh rizika, jehož stanovení již bylo v podmínkách ČR ověřeno na řadě pilotních lokalit a v rámci praktických aplikací (viz kap. 9). 2.4 NEJISTOTY V RIZIKOVÉ ANALÝZE ZÁPLAVOVÝCH ÚZEMÍ Nejistoty obecně zahrnují všechny etapy zpracování rizikové analýzy, od prostých chyb měření a pozorování až ke komplexním nejistotám předpovědí, nahodilosti přírody, přesnosti modelů, budoucích potřeb, možností, chování lidí a politickým omezením. Jejich povaha může být 9

11 fyzikální, ekonomická, environmentální nebo společenská. Důležitou otázkou je zvážení, zda nejistota může nějakým způsobem ovlivnit výsledky RA a pokud ano, tak v jaké míře. Zařazení kvantifikace nejistot do RA není zatím v praxi zcela běžnou záležitostí a objevuje se spíše výjimečně. Vyjádření nejistot lze provést s využitím např. těchto metod: statistické modelování (např. metoda Monte-Carlo a její modifikace) [U.S. Army 1996], intervalová analýza [Pownuk 2004], citlivostní analýza [Saltelli 2005]. 2.5 ÚLOHA GIS V RIZIKOVÉ ANALÝZE ZÁPLAVOVÝCH ÚZEMÍ GIS představují spolu s numerickým modelováním proudění vody (viz kap. 3) základní nástroje RA. V Tab. 2.1 jsou shrnuty hlavní možnosti použití GIS ve vazbě na jednotlivé etapy RA uvedené v kap Důvodem rozsáhlého využívání GIS v RA je především nutnost zpracování širokého okruhu geografických dat, jejich analýza a následná prezentace výsledků. Konkrétnější představu o možnostech využití GIS podávají následující kap.3 až 5, věnované jednotlivým etapám RA. Tab. 2.1 Funkce GIS v rizikové analýze záplavových území Etapa RA dle kap. 2.3 Kvalitativní analýza Kvantitativní analýza kvantifikace povodňového nebezpečí (viz kap. 3) Kvantitativní analýza stanovení zranitelnosti ZÚ (viz kap. 4) Kvantitativní analýza kvantifikace rizika (viz kap. 5) Funkce GIS Shromáždění a analýza informací za účelem předběžného vyhodnocení povodňových rizik. Jedná se o vymezení oblastí, kde lze předpokládat nepříznivé účinky povodňového nebezpečí na lidské zdraví, životní prostředí, kulturní dědictví a hospodářskou činnost. Příprava vstupních dat (pre-processing) a vyhodnocení výsledků výpočtů (post-processing) numerických modelů proudění vody. Vyhodnocení informací o historických povodních. Zpracování výsledků výpočtů popř. informací z historických povodní do podoby map povodňového nebezpečí. Kategorizace majetku v záplavových územích pro účely RA. Zpracování statistických údajů o poškozeních a škodách z historických povodní (např. počty zranění a úmrtí obyvatel, vyčíslení škod na majetku atd.). Kvantifikace rizika a prezentace výsledků v číselné nebo grafické podobě (mapy povodňového ohrožení a rizika). 10

12 3 POVODŇOVÉ NEBEZPEČÍ A JEHO KVANTIFIKACE V rámci kap. 2.1 bylo povodňové nebezpečí definováno jako důsledek určitého sledu událostí s danou pravděpodobností výskytu ( cesta ), který ve svém důsledku vede k zaplavení území, tj. ke vzniku povodně. Povodeň, kterou chápeme jako hydrologický extrém, je výsledkem složitého procesu, do kterého se kromě klimatických vlivů promítají i faktory související se srážkoodtokovým procesem, jako je např. stupeň nasycení zemského povrchu, druh zemského pokryvu, roční období atd. Mezi další podstatné faktory patří antropogenní vlivy, které zahrnují např. způsob hospodaření v krajině, vliv vodohospodářských a dalších objektů na tocích apod. Výsledná pravděpodobnost výskytu daného povodňového nebezpečí tak kromě nahodilosti působících přírodních jevů postihuje i zmiňované antropogenní vlivy. Stanovení dílčích pravděpodobností jednotlivých zmiňovaných jevů je do značné míry limitováno nedostatkem údajů z dlouhodobého měření příslušných náhodných veličin. Zajištění podrobného měření by vyžadovalo vybudování rozsáhlého monitorovacího systému, jehož realizace není z praktických důvodů v plném rozsahu možná. Z uvedených příčin je pro vodohospodářskou praxi nezbytné přijmout určitá zjednodušení, která i za současných podmínek umožní stanovení pravděpodobnosti výskytu daného povodňového nebezpečí. Jednou z dostupných možností je využití údajů o velikosti a průměrné době opakování kulminačních průtoků. Tyto informace ve formě N-letých průtoků poskytuje Český hydrometeorologický ústav (ČHMÚ) v souladu s normou ČSN Pro povodí s dostatečným množstvím měrných profilů jsou hodnoty N-letých vyhodnocovány metodami matematické statistiky (frekvenční analýzou) z naměřených dat [Starý 2005], [Sommer 1985], [Gelder et al. 1999]. V případě nedostatečného počtu měření v měrných profilech jsou tyto hodnoty stanovovány na podkladě výsledků srážkoodtokových modelů vycházejících z údajů sítě srážkoměrných stanic pokrývajících celé území ČR (srážkoměrná síť ČHMÚ). Další možností je stanovení hodnot N-letých průtoků např. s využitím metod analogie [Starý 2005], [Sommer 1985]. Požadovanou pravděpodobnost překročení daného kulminačního průtoku je pak možné odvodit na základě průměrné doby opakování příslušného kulminačního průtoku N ze vztahu [Starý 2005], [Sommer 1985]: p, 1 N p = 1 e = 1 e, (3.1) kde p značí periodicitu. Pro hodnoty cca N 5 lze uvažovat: p 1 p, =. (3.2) N Pro stanovení povodňového rizika je třeba kromě zmiňované pravděpodobnosti kvantifikovat i míru povodňového nebezpečí. Tu lze vyjádřit na základě tzv. charakteristik průběhu povodně, které zahrnují především: hydrologické údaje (např. kulminační průtok a hydrogram povodně), hranice rozlivů a hloubky vody v záplavovém území, rychlosti proudění vody v záplavovém území, dobu zaplavení, teplotu vody, kontaminaci nebezpečnými látkami. Podstatou kvantifikace povodňového nebezpečí je určení časoprostorového rozdělení uvedených charakteristik průběhu povodně a zpracování těchto údajů do podoby tzv. map 11

13 povodňového nebezpečí. Ty slouží následně jako podklad pro kvantifikaci rizika. K určení charakteristik průběhu povodně lze v první fázi využít existujících podkladů (např. dokumentace ZÚ přirozených a zvláštních povodní, SOP, mapy a atlasy ZÚ, záznamů z historických povodní). Tyto podklady slouží především pro získání prvotní informace o povodňovém nebezpečí. Ke zpracování RA je obvykle nutné použití jednorozměrných (1D) nebo dvojrozměrných (2D) numerických modelů proudění vody v tocích a v záplavových územích, které umožňují provedení výpočtů pro širší škálu kulminačních průtoků, zahrnutí vlivu navrhovaných PPO apod. Volba dimenze numerického modelu (1D nebo 2D) a přijaté zjednodušující předpoklady jsou vždy kompromisem mezi požadavky použité metody hodnocení rizika, úrovní dostupných dat a časovými a finančními možnostmi zadavatele. Obdobně jako dimenzi použitého matematického modelu je nutné zvážit vliv nestacionarity proudění na kvantifikaci rizika v ZÚ. Obecně lze říci, že řešení ustáleného proudění je méně náročné než řešení proudění neustáleného. Na druhou stranu model ustáleného proudění nezohledňuje transformaci povodňové vlny inundací, což může v některých případech vést k poměrně velkému zkreslení výsledků. Další text kapitoly je věnován podrobnějším informacím o využití GIS ve spojení s 1D a 2D numerickými modely pro kvantifikaci povodňového nebezpečí. Dosavadní zkušenosti z použití GIS k těmto účelům potvrdily, že se jedná o efektivní nástroj s širokým okruhem možností. Na Ústavu vodních staveb, FAST VUT v Brně probíhá vývoj programových nástrojů na podporu využití GIS pří práci s 1D a 2D hydrodynamickými modely [27, 28]. Zmiňované nástroje jsou vytvářeny zejména v jazycích VBA, VBS, Python a jsou učeny pro programy z řady ArcGIS firmy ESRI. Tyto nástroje byly využity např. v rámci projektu [11] D NUMERICKÉ MODELOVÁNÍ PROUDĚNÍ VODY S PODPOROU GIS Jednorozměrný (1D) model proudění je vhodné použít v případech, kdy je v průtočném profilu dostatečně přesná aproximace: rychlosti proudění jednou hodnotou - průřezovou rychlostí, konstantní polohou hladiny. V případě proudění v širokém inundačním území jsou většinou rychlosti a hloubky vody v průtočném profilu natolik rozdílné, že je výpočet potřebné provést 2D modelem. V současné praxi se jako jedno z možných východisek pro výpočet proudění vody, zejména v urbanizovaných územích (uliční sítě), používá rovněž tzv. 1,5 dimenzionálních modelů (1,5D), které vycházejí z matematického popisu proudění za předpokladu 1D aproximace. Síť koryt (jednotlivé ulice, průlehy v inundačním území, apod.) je v záplavovém území třeba předem zadat. Síť může být větvená nebo zaokruhovaná. Základní rovnice pro řešení 1D úloh proudění vody v tocích byly odvozeny s využitím zákona zachování hmotnosti a věty o změně hybnosti. Vstupní předpoklady a odvození těchto rovnic je uvedeno např. v publikaci [Chow 1959]. Mezi nejrozšířenějším programové vybavení, používané v ČR pro řešení 1D úloh proudění vody, patří především HEC-RAS [USACE 2008] a MIKE11 [DHI 2008]. Oba zmiňované programy (MIKE11, HEC-RAS) podporují ve fázích přípravy dat (pre-processing) i vyhodnocení výsledků (post-processing) využití GIS. Kromě správy vstupních dat jsou GIS ve spojení s 1D modely využívány především k vyhodnocení výsledků výpočtů, jehož produktem jsou mapy povodňového nebezpečí zahrnující údaje o hloubkách a rychlostech proudění vody D NUMERICKÉ MODELOVÁNÍ PROUDĚNÍ VODY S PODPOROU GIS Hydraulické výpočty proudění pomocí 2D numerických modelů se používají pro stanovení charakteristik průběhu povodně zejména v případech kdy: 12

14 je nezbytné stanovit plošné rozložení charakteristik průběhu povodně v zájmovém území, tj. hloubky vody a složky vektoru svislicové rychlosti; zájmové území je po stránce morfologické natolik členité, že použití 1D schematizace není možné nebo je příliš komplikované. 2D numerické modely jsou založeny na řešení rovnic proudění vody o malé hloubce s volnou hladinou v zahraniční literatuře uváděné jako shallow water equations [Vreugdenhil 1988]. Mezi nejrozšířenější programové vybavení používané v ČR k řešení tohoto typu úloh patří především MIKE21 [DHI 2008], SMS - FESWMS [AQUAVEO 2009] a FAST2D [Valenta 2004]. Zmiňované programy podporují stejně jako v případě 1D modelů využití GIS ve fázích přípravy dat (pre-processing) i vyhodnocení výsledků (post-processing) Možnosti využití GIS ve spojení s 2D modely jsou obdobné jako u 1D modelů, tj. příprava dat (pre-processing) a vyhodnocení výsledků (post-processing). Vyhodnocení výsledků výpočtů v GIS spočívá v jejich interpretaci z údajů o vypočtených veličinách v diskrétních bodech (výpočtové uzly) do podoby spojitého rozložení hodnot na náhradní oblasti. 4 ZRANITELNOST ZÁPLAVOVÉHO ÚZEMÍ A JEJÍ STANOVENÍ V souladu s definicí v kap. 2.1 je zranitelnost chápána jako vlastnost objektu, která se projevuje náchylností ke škodám v důsledku působení povodňového nebezpečí a expozice. ZÚ představuje složitou strukturu tvořenou velkým množstvím různorodých objektů. Z důvodů praktické proveditelnosti metod RA je proto nezbytné ZÚ schematizovat na zvolené úrovni podrobnosti a zaměřit se jen na podstatné skupiny objektů, mezi které zahrnujeme: majetek (budovy vč. vybavení, infrastruktura, zemědělské pozemky atd.), obyvatelstvo, potenciální zdroje znečištění v případě zaplavení, citlivé objekty (nemocnice, památky, hasiči atd.). S ohledem na metody kvantifikace rizika popsané v kap. 5 je další text práce orientován pouze na postupy stanovení zranitelnosti majetku v ZÚ. Vyjádření zranitelnosti ostatních zmiňovaných skupin objektů bylo autorem řešeno např. v rámci projektů [7], [8], [22], [23]. Prvním krokem ke stanovení zranitelnosti ZÚ je, v závislosti na použité metodě RA, volba vhodné rozlišovací úrovně. V zásadě se používají následující dvě rozlišovací úrovně majetku [Drbal 2005]: Rozlišovací úroveň majetku I. představuje plochy zahrnující stavební objekty s podobným funkčním využitím (plochy pro bydlení, průmysl, služby atd.). Rozlišovací úroveň majetku II. představuje jednotlivé stavební objekty (např. budovy, infrastruktura apod.) a plochy (např. zemědělské pozemky, zpevněné plochy apod.). Rozlišovací úroveň majetku I. je využívána především ve spojení s metodou matice rizika (viz kap. 5.1). Hlavním zdrojem podkladů pro identifikaci ohrožených ploch v záplavovém území je územně plánovací dokumentace (ÚPD) obcí, která poskytuje informace o stávajícím a navrhovaném funkčním využití území. Stanovení zranitelnosti se v případě použití metody matice rizika provádí přiřazením tzv. přijatelné míry rizika pro jednotlivé funkční plochy v zájmovém území (viz Tab. 5.1). Rozlišovací úroveň majetku II. se používá ve spojení s metodou RA založenou na odhadu potenciální povodňových škod na majetku v ZÚ (viz kap. 5.2). Následující text popisuje postup kategorizace majetku v souladu s metodikou [MZe ČR 2006]. Ta spočívá v kategorizaci zasažených ploch a stavebních objektů v ZÚ podle způsobu jejich využití. Provádí se na podkladě 13

15 dat ZABAGED [ČÚZK 2008], katastrálních map, ÚPD, Registru sčítacích obvodů [ČSÚ 2008] a místních šetření. Pro stávající stav v zájmových lokalitách je třeba vymezit tyto kategorie majetku s přímou vazbou na ekonomické škody: obytné objekty, objekty občanské vybavenosti, průmyslové objekty, pozemní komunikace, železniční komunikace, mosty, zpevněné plochy, infrastruktura, sportovní plochy, zemědělská půda, lesní půda. Zranitelnost majetku se v této rozlišovací úrovni a při použití metod RA založených na odhadu potenciální povodňových škod (viz kap.5.2) stanovuje na základě tzv. škodních křivek (viz Obr. 5.5). 5 POVODŇOVÉ RIZIKO A JEHO KVANTIFIKACE V následujících kapitolách jsou uvedeny dvě základní metody RA sloužící ke kvantifikaci povodňového rizika. Jedná se o: metodu matice rizika, metodu potenciálních povodňových škod. Jde o v současnosti nejrozšířenější metody RA používané v ČR ke kvantifikaci povodňových rizik, které již byly aplikovány na řadě konkrétních lokalit. Tyto metody budou rovněž zařazeny do metodického pokynu k implementaci směrnice [ES 2007]. V dalším textu je uveden princip zmiňovaných metod, postup jejich zpracování s využitím GIS a doporučená interpretace výsledků analýz doložená na praktických příkladech v kap METODA MATICE RIZIKA Pro plošné hodnocení povodňového nebezpečí, zranitelnosti, ohrožení a následně i rizika je vhodná metoda vycházející z tzv. matice rizika [Říha 2005], [Zimmerman et al. 2005], [FOWM 1997]. Metoda nevyžaduje kvantitativní odhad škody způsobené vybřežením vody z koryta, ale vhodným způsobem vyjadřuje povodňové ohrožení a riziko. Při hodnocení ZÚ v první fázi nepostihuje zranitelnost. Ta je nezbytným činitelem při stanovení vlastního rizika a do hry se dostává až v konečné fázi zpracování nad mapami charakterizujícími využití území (ÚPD). Zranitelnost je v použité metodě vyjádřena ve formě tzv. přijatelného rizika, resp. nezbytných opatření pro jednotlivé typy objektů a omezení aktivit ve vybraných částech území. Tato skutečnost naznačuje využití této metody zejména v oblasti územního plánování [Dráb 2006], [Dráb, Říha 2008], lokalizace rozvojových ploch, ale i při zpracování vodohospodářských generelů urbanizovaných území [21], [22]. Zavedení popsaného hodnocení zranitelnosti a přijatelného rizika je hlavním přínosem autora k rozšíření původní citované metody. V metodě rizikové matice je povodňové ohrožení definováno jako funkce pravděpodobnosti překročení příslušného N-letého kulminačního průtoku a tzv. intenzity povodně, která vyjadřuje povodňové nebezpečí. Povodňové ohrožení se stanovuje s použitím tzv. matice rizika (viz Obr. 5.1). Postup metody spočívá ve třech krocích: Kvantifikace povodňového nebezpečí výpočet intenzity povodně na základě hloubek a rychlostí proudění vody. Stanovení povodňového ohrožení pomocí matice rizika. Stanovení ploch se zvýšeným rizikem s využitím údajů o zranitelnosti území. V rámci kvantifikace povodňového nebezpečí je třeba definovat a popsat nebezpečí, které je vyjádřeno pomocí intenzity povodně IP. Ta je chápána jako měřítko ničivosti povodně a je definována jako funkce hloubky vody h a rychlosti proudění vody v: 14

16 0, h = 0 IP ( h, v) = h, h > 0 m, v 1 m/s. (5.1) h. v, v > 1 m/s Na základě intenzity povodně stanovené pro vybrané N-leté kulminační průtoky (minimálně v rozsahu Q 5, Q 20, Q 100 ) se nejprve stanoví hodnoty ohrožení s použitím tzv. matice rizika, která je uvedena na Obr Řádky matice odpovídají kategoriím IP i a sloupce kategoriím N-letosti kulminačních průtoků. Pro takto stanovené hodnoty ohrožení R i odpovídající jednotlivým N-letým kulminačním průtokům je možné následně přijmout doporučení dle Tab Tab. 5.1 Příklad tříd funkčního využití území dle ÚPD Funkční využití území Bydlení Občanská vybavenost Doprava a technická infrastruktura Výroba Zemědělská výroba Sport a hromadná rekreace Vodní plochy Parky, veřejná zeleň, zahrady, lesy Orná půda, louky, pastviny Přijatelné riziko (2) Nízké (3) Střední (4) Vysoké Tab Klasifikace a verbální popis ohrožení v souladu s Obr. 5.1 a vztahem (5.3) Ohrožení R dle [Beffa 2000] stanovené ze vztahu (5.3) R 0,1 nebo IP* 3 0,01 R < 0,1 R < 0,01 p < 0,0033 (tj. N-letost > 300) Kategorie ohrožení dle Obr. 5.1 (4) Vysoké (červená barva) (3) Střední (modrá barva) (2) Nízké (oranžová barva) (1) Reziduální (žlutá barva) Doporučení Doporučuje se nepovolovat novou ani rozšiřovat stávající zástavbu ve které se zdržují lidé nebo umísťují zvířata. Pro stávající zástavbu je třeba provést návrh protipovodňové ochrany, která zajistí odpovídající snížení rizika. Výstavba je možná s omezeními vycházejícími z podrobného posouzení potenciálního ohrožení objektů povodňovým nebezpečím. Nevhodná je výstavba citlivých objektů (např. zdravotnická zařízení, hasiči apod.). Nedoporučuje se rozšiřovat stávající plochy určené pro výstavbu. Výstavba je možná, přičemž vlastníci dotčených pozemků a objektů musí být upozorněni na potenciální ohrožení povodňovým nebezpečím. Pro citlivé objekty je třeba přijmout speciální opatření ve smyslu protipovodňové ochrany Otázky spojené s protipovodňovou ochranou se zpravidla doporučuje řešit prostřednictvím dlouhodobého územního plánování se zaměřením na zvláště citlivé objekty (zdravotnická zařízení, památkové objekty apod.). Snahou je vyhýbat se objektům a zařízením se zvýšeným potenciálem škod. Výše popsaný postup založený na odečítání ohrožení z matice rizika na Obr. 5.1 je obtížně proveditelný s použitím nástrojů GIS. Z tohoto důvodu byla navržena jeho úprava, která vede 15

17 ke shodným výsledkům [Beffa 2000]. Úprava postupu spočívá v zavedení pomocné veličiny IP *, která se stanoví dle předpisu (5.2): 0 * IP ( h, v) = h h. v h = 0 h > 0 m, v 1 m / v > 1 m / s s. (5.2) Rastr - hloubka vody - h i [m] Rastr - rychlost proudění vody - v i [m/s] Alternativní postup pro praktickou realizaci s použitím GIS Původní postup 1. Kvantifikace pomocné veličiny dle vztahu (5.2) IP i * 1. Kvantifikace intenzity povodně dle vztahu (5.1) IP i 0 * IPi ( h, v) = 0,3 + 1,35. hi 0,3 + 1,35. hi. vi h = 0 h > 0m, v 1 m/ i v > 1 m/ s i i i s Rastr - intenzita povodně - IP i Intenzita 2 povodně IP [m /s] 2. Stanovení povodňového ohrožení pomocí matice Rastr -pomocná veličina IP* Stanovení povodňového ohrožení dle vztahu (5.3) N [roky] Ri = * IPi pi Klasifikace ohrožení dle Tab. 5.2 Rastr - ohrožení R i Obr Schéma postupu metody rizikové matice pro daný N-letý kulminační průtok Ohrožení se pak pro daný N-letý kulminační průtok stanoví dle vztahu: R i * i = IP p, (5.3) i kde pravděpodobnost překročení příslušného N-letého kulminačního průtoku se vypočte ze vztahu (3.1), popř. (3.2). 16

18 Obr Příklad mapy ohrožení v lokalitě Rapotín [24] Obr Příklad mapy rizika v lokalitě Rapotín [24] 17

19 Výsledné ohrožení R se na závěr vyhodnotí jako maximální hodnota z jednotlivých dílčích ohrožení R i odpovídajícím řešeným N-letým kulminačním průtokům dle vztahu: n R = max, (5.4) i = 1 R i kde n značí počet řešených N-letých kulminačních průtoků. Vypočtené hodnoty ohrožení R se následně zařadí do kategorií dle Tab Prakticky se výpočet intenzity povodně IP i * provádí s využitím nástrojů GIS na základě podkladů o hloubkách a rychlostech proudění vody pro dané N- leté kulminační průtoky (viz Obr. 5.1). Stanovení rozsahu oblastí klasifikovaných reziduálním ohrožením (viz Tab. 5.2) je možné buď na základě údajů o rozlivech extrémních povodní s velmi malou pravděpodobností překročení (N > 300) nebo odborným odhadem vycházejícím z morfologie údolní nivy a rozsahu kvartérních fluviálních sedimentů. Předběžný odhad je třeba verifikovat při pochůzkách v rámci místních šetření. Výsledky výše uvedené metody založené na matici rizika se pro zájmové území zpracovávají do podoby map ohrožení (viz Obr. 5.2) a map rizika (viz Obr. 5.3). Mapy ohrožení (viz Obr. 5.2) zobrazují pomocí barevné škály kategorie ohrožení ploch v ZÚ s uvedením vysvětlujících komentářů dle Tab Kategorie člení záplavové území z hlediska povodňového ohrožení, které umožňuje posouzení vhodnosti stávajícího nebo budoucího funkčního využití ploch a doporučení na omezení případných aktivit na plochách v ZÚ s vyšší mírou ohrožení (viz Tab. 5.2). Tohoto postupu je možné využít např. v procesu územního plánování, při návrhu PPO apod. Mapy rizika (viz Obr. 5.3) kombinují údaje o ohrožení s informacemi o zranitelnosti objektů v exponovaném území, které je možno excerpovat z ÚPD, mapových podkladů a místních šetření. Na základě dostupné ÚPD lze vymezit třídy ploch dle funkčního využití území (viz Tab. 5.1). Každé ze tříd je přiřazena hodnota tzv. maximálního přijatelného rizika (viz Tab. 5.1). Mapy takto klasifikovaných ploch využití území (mapy zranitelnosti) jsou následně překryty s mapami ohrožení a analytickými nástroji GIS převedeny do map rizika (Obr. 5.3). V mapách rizika jsou zvýrazněny ty využívané plochy, na kterých je kritérium maximálního přijatelného rizika překročeno. Uvnitř každé takové plochy jsou vyznačeny dosažené hodnoty ohrožení. Takto identifikovaná území představují exponované plochy při povodňovém nebezpečí při jejich vysoké zranitelnosti. Dalším logickým krokem je podrobnější posouzení rizikových ploch z hlediska řízení rizika, tj. snížení rizika na přijatelnou míru. 5.2 METODA ZALOŽENÁ NA VYJÁDŘENÍ POTENCIÁLNÍCH ŠKOD Na základě výsledků plošné analýzy území metodou matice rizika (viz kap. 5.1) je třeba v oblastech s překročenou mírou přijatelného rizika přikročit k variantnímu návrhu PPO a vyčíslit předpokládané investiční náklady na jejich realizaci. V případě investic většího rozsahu je vhodné rozdělit navrhovaná PPO na menší, hydraulicky uzavřené celky. Účelnost vynaložených investic do navržených PPO je možné následně vyhodnotit metodou nákladů a užitků. Řešení zpravidla obsahuje: odhad rozsahu ohroženého a ochráněného majetku v záplavových územích, odhad povodňových škod, kvantifikaci povodňového rizika metodou založenou na vyjádření potenciálních škod a výpočet hodnotících ekonomických kritérií metodou nákladů a užitků. Rozsah ohroženého majetku v záplavových územích je třeba stanovit pro stav před a po realizací navrhovaných PPO. Nejprve je provedeno hodnocení povodňového nebezpečí, které vychází z map hloubek vody v záplavových územích pro povodně odpovídající obvykle průtokům 18

20 Q 5, Q 20 a Q 100. Odhad povodňových škod na majetku v záplavových územích se provádí s využitím tzv. škodních křivek [MZe ČR 2004] [Satrapa, Fošumpaur, Horský 2006], [Říha 2005], které vyjadřují funkční závislost výše škody, popř. poškození na hloubce vody. Vyjádření povodňového rizika na základě potenciálních škod vychází ze vztahu: RI = p H 0 D( p) dp, (5.5) kde RI značí průměrné roční ekonomické povodňové riziko v [Kč/rok], p je pravděpodobnost překročení příslušného N-letého kulminačního průtoku vyjádřená přibližně vztahem (3.1), popř. (3.2). D(p) představuje funkční závislost potenciálních škod [Kč] na pravděpodobnosti překročení příslušných kulminačních průtoků a p H je pravděpodobnost překročení neškodného průtoku. Geometrický význam integrálu (5.5) je patrný z Obr D [K č] D(p) RI 0 p H p Obr. 5.4 Čára překročení škod D(p) Funkční závislost D(p) lze získat na základě potenciálních povodňových škod stanovených v diskrétních bodech odpovídajících vybraným N-letým kulminačním průtokům. Kulminační průtoky se volí v intervalu od neškodného průtoku, při kterém předpokládáme nulové škody, až do průtoku cca Q 1000 Q , kdy je již přírůstek rizika velmi malý a na celkové hodnotě rizika RI se přestává projevovat. Praktický postup stanovení průměrného ročního ekonomického povodňového rizika probíhá v následujících krocích: Pro jednotlivé scénáře povodňového nebezpečí reprezentované N-letým kulminačním průtokem se provede odhad pravděpodobnosti jejich překročení ze vztahu (3.1), popř. (3.2). Modelovým hydraulickým výpočtem se pro jednotlivé scénáře povodňového nebezpečí stanoví charakteristiky průchodu povodně, především hloubky vody v záplavovém území. Z charakteristik průchodu povodně se přes škodní křivky (Obr. 5.5) odvodí výše přímých škod v daném území odpovídající jednotlivým povodňovým scénářům. Z těchto údajů se graficky vynese závislost D(p), která umožní výpočet rizika RI dle vztahu (5.5). 19

21 Uvedený postup je vhodné realizovat v GIS, nejlépe s použitím účelové aplikace, která eliminuje rutinní opakování pracovních postupů (viz Obr. 5.5).. Autorem práce byla na Ústavu vodních staveb v rámci projektů [12], [6] vytvořena účelová aplikace v jazyce VBA, určená pro programové vybavení ArcGIS, která umožňuje zpracování uvedených kroků vč. kategorizace objektů v ZÚ na základě dat ZABAGED a RSO. Výstupem je přehled dotčeného majetku v ZÚ a kvantifikace povodňových škod. Výsledky jsou automaticky ukládány do programu MS Excel, kde je umožněno jejich další zpracování. Stanovená hodnota RI slouží pro následné hodnocení ekonomické efektivnosti PPO, které lze provést např. na základě těchto ukazatelů [MZe ČR 2006]: ukazatel poměrné ekonomické efektivnosti PU, ukazatel absolutní ekonomické efektivnosti AU, doba návratnosti DN. Obr Schéma postupu stanovení potenciálních povodňových škod na objektech s použitím GIS 20

22 Uvedené ukazatele ekonomické efektivnosti PPO lze stanovit s použitím následujících vztahů (5.7), (5.8) a (5.9). PU RI( bez PPO) RI(po realizacippo) =, (5.7) I DS kde RI(bez PPO) je průměrné roční riziko před realizací PPO, RI(po realizaci PPO) je průměrné roční riziko po realizaci PPO, I jsou celkové náklady na realizaci PPO a DS je roční diskontní sazba v desetinném tvaru. V případě, že PU nabývá hodnot větších než 1, jde z dlouhodobého hlediska o rentabilní investici a naopak. AU RI(bez PPO) RI(po realizacippo) = I, (5.8) DS přičemž kladné hodnoty ukazatele AU svědčí o ekonomické rentabilitě opatření, záporné hodnoty naopak svědčí o ekonomické nevýhodnosti realizace takového opatření. DN I =, (5.9) RI( bez PPO) RI(po realizacippo) 6 PŘÍPADOVÁ STUDIE - VYUŽITÍ METOD RA V RÁMCI GENERELU ODVODNĚNÍ MĚSTA BRNA Jako případová studie pro prezentaci postupů rizikové analýzy bylo zvoleno řešení Generelu odvodnění města Brna (GOMB) na jehož zpracování se rámci části Vodní toky - ochrana před povodněmi autor práce významně podílel [22]. V rámci GOMB byly využity metody RA popsané v kap. 5 a v průběhu zpracování bylo aplikováno účelové programové vybavení pro odhad potenciálních povodňových škod vytvořené autorem práce. Obecně je možné postup RA použitý při zpracování GOMB rozdělit na tři stupně (etapy): 1. předběžná analýza zájmového území, 2. plošná RA metodou matice rizika, 3. hodnocení ekonomické efektivnosti PPO. 6.1 PŘEDBĚŽNÁ ANALÝZA ZÁJMOVÉHO ÚZEMÍ Prvním krokem při zpracování rizikové analýzy záplavového území a návrhu koncepce protipovodňové ochrany na území města Brna byl předběžný průzkum zájmového území. Byly vymezeny vodní toky, které mohou způsobit povodňové nebezpečí a na základě dřívějších studií byl zhodnocen orientační rozsah záplavového území. Pro zpracování bylo území omezeno na řece Svratce úsekem mezi brněnskou přehradou a profilem pod čistírnou odpadních vod v Modřicích, řeka Svitava byla sledována v úseku od Obřan až po soutok se Svratkou. Další toky byly hodnoceny pouze v případě, že procházejí zástavbou a pokud v důsledku vybřežení vody může dojít ke vzniku povodňových škod na majetku, k ohrožení životů a zdraví lidí nebo ke vzniku ekologických škod.. Rozsah zájmového území s vyznačením studovaných toků je patrný z Obr

23 Obr Mapa zájmového území s označením posuzovaných toků na území města Brna 6.2 PLOŠNÁ RIZIKOVÁ ANALÝZA ZASAŽENÉHO ÚZEMÍ Druhý stupeň rizikové analýzy záplavových území vycházel z výsledků hydraulických výpočtů realizovaných v souladu se zadáním Generelu odvodnění města Brna s použitím jednorozměrných (1D) hydrodynamických modelů. Pro plošnou analýzu byla použita metoda rizikové matice. Pro zájmové toky (viz Obr. 6.1) byly k dispozici výsledky hydraulických výpočtů proudění vody zpracované v rámci GOMB s použitím 1D hydrodynamického modelu, které zahrnovaly vymezení hranic rozlivů vody pro průtoky Q 5, Q 20, Q 100. Pro Svratku a Svitavu byly navíc k dispozici výsledky výpočtů pro průtoky Q 1,Q 10, Q 50 a pouze pro Svratku byl dále proveden výpočet průtoku Q 100 (neovlivněný) a střet kulminačních průtoků Q 100 na soutoku se Svitavou. Na základě těchto výsledků a digitálního modelu terénu (DMT) byly pro dostupnou škálu N-letých průtoků s použitím nástrojů GIS vyhotoveny mapy hloubek a rychlostí proudění vody. Dále byly stanoveny hranice rozlivu tzv. maximální možné hypotetické povodně, a to na základě odborného odhadu s ohledem na morfologii údolní nivy, úroveň břehové linie a na rozsah kvartérních fluviálních sedimentů v údolní nivě. Jako další upřesňující podklad byl využit maximální rozliv zvláštní povodně pod brněnskou přehradou. Takto stanovená území pak reprezentovala oblasti s tzv. reziduálním povodňovým ohrožením. Dalším z významných podkladů byl koncept územního plánu města Brna, jehož využití při RA spočívalo v identifikaci funkčního využití ploch v zájmovém území. Výsledky metody založené na matici rizika byly pro zájmové území zpracovány do podoby map ohrožení a map rizika (viz Obr. 6.2 a 6.3). Konečným krokem bylo podrobnější posouzení rizikových ploch z hlediska snížení rizika na přijatelnou míru. Vytvořené mapy ohrožení a rizik by měly být vodítkem při urbanistických návrzích dalšího rozvoje města Brna z hlediska využití území a návrhu koncepce protipovodňové ochrany (PPO). S určitými omezeními rozvoje, resp. nápravnými opatřeními je třeba uvažovat především v oblastech s vysokým, ale také se středním i nízkým povodňovým ohrožením. Podrobnější komentář vyžadují i ohrožené plochy (včetně ploch s tzv. reziduálním rizikem), na 22

24 nichž je riziko menší než přijatelné. V žádném případě neznamená, že tyto plochy nemohou být zaplaveny a nemohou na nich vznikat škody. Koncept PPO byl následně podroben hodnocení ekonomické efektivnosti (viz následující kap. 6.3). Obr Příklad mapy ohrožení, Brno - Heršpice 23

25 24 Obr Příklad mapy rizika, Brno - Heršpice

26 6.3 HODNOCENÍ EKONOMICKÉ EFEKTIVNOSTI PPO Na základě výsledků plošné analýzy území metodou matice rizika byl pro všechny zájmové vodní toky proveden variantní návrh strukturálních PPO a vyčísleny předpokládané finanční náklady na jejich realizaci. Pro posouzení ekonomické efektivnosti byla navrhovaná PPO na Svitavě a Svratce rozdělena na 16 úseků, které tvořily hydraulicky uzavřené celky. Účelnost vynaložených investic do navržených PPO byla v jednotlivých úsecích hodnocena odděleně metodou nákladů a užitků (viz kap. 5.2). 7 ZÁVĚR 7.1 DOSAŽENÉ VÝSLEDKY AUTORA V OBORU RA Habilitační práce podává přehled o činnosti autora v oblasti vývoje metod rizikové analýzy záplavových území (RA) řádově v rozpětí let a jejich aplikacích na cca 170 lokalitách v ČR (viz kap. 9). Současně s metodami RA se autor zabýval návrhem postupů pro jejich zpracování v prostředí GIS. V rámci uvedených činností byly vytvořeny účelové programové nástroje určené pro prostředí ArcGIS, které umožňují efektivnější provádění metod RA. Funkčnost a účelnost programových nástrojů byla autorem ověřena jejich nasazením např. při řešení projektu Podpora prevence před povodněmi [12] a dalších (viz kap. 9). Dlouhodobé zkušenosti z provedených prací jsou aktuálně zapracovávány do metodického pokynu k implementaci Směrnice Evropského parlamentu a Rady 2007/60/ES o vyhodnocování a zvládání povodňových rizik [ES 2007] v rámci projektu [8]. Za aktuálně nejrozsáhlejší a nejkomplexnější aplikaci metod RA v rámci ČR lze považovat Generel odvodnění města Brna (GOMB), kde byly uplatněny a prosazeny progresivní metody RA [22]. Výsledky hodnocení metodami RA poskytly podklad pro rozhodování o diferencované míře protipovodňové ochrany (PPO) na základě posouzení její oprávněnosti, účelnosti a rentability. GOMB je základním vodohospodářským podkladem v procesu územního plánování na území města Brna, který je v souladu se směrnicí [ES 2007]. Pro plošné hodnocení ZÚ byla použita tzv. metoda matice rizika, kterou bylo provedeno hodnocení celkem 13 vodních toků v celkové délce cca 87 km. Tato metoda umožnila jednak rozčlenění území z hlediska stupně povodňového ohrožení a dále označení ploch s překročenou mírou tzv. přijatelného rizika. V územích, kde rozsah záplavy vedl k nepřijatelné výši povodňového rizika, byly následně provedeny variantní návrhy PPO rozdělených do 16 úseků, včetně odhadu investičních nákladů na jejich realizaci, které činí cca 3,2 mld. Kč. PPO tak byla cíleně směřována do lokalit s překročenou mírou přijatelného rizika. Navržená PPO byla dále podrobena hodnocení ekonomické efektivnosti, jehož výsledky budou spolu s řadou dalších hledisek (např. sociální, environmentální atd.) důležitým podkladem pro rozhodování o prioritách realizace opatření v jednotlivých částech města Brna. Výstupy z řešení metodami RA se promítnou i do paralelně zpracovávaného územního plánu. Průběh i výsledky řešení ukazují, že metody RA, opírající se o výstupy z účinných prostředků numerického modelování proudění povrchové a podzemní vody, jsou významným přínosem v procesu zpracování generelních vodohospodářských výstupů, které jsou nezbytným podkladem při územním plánování v urbanizovaných územích. Výsledky provedených analýz slouží jako objektivní podklad pro prioritizaci úseků PPO za účelem zpracování dalších stupňů projektové dokumentace a zpracování žádostí o poskytnutí finančních prostředků z dotačních titulů. Z dalších významných aplikací metod RA je možné uvést např. výsledky projektů [7], [9], které zahrnovaly významné toky Labe, Svitavu, Svratku, Jihlavu a Dyji. 25